[发明专利]基于频移拉曼孤子的级联泵浦3.5微米全光纤飞秒放大器

说明书

基于频移拉曼孤子的级联泵浦3.5微米全光纤飞秒放大器属于中红外光纤激光器领域。本发明采用基于频移拉曼孤子的光纤激光器提供飞秒信号光源和第二泵浦光源，中红外侧面合束器后向提供第一泵浦光源，有效解决了级联泵浦3.5微米光纤飞秒放大器中第一泵浦光源和第二泵浦光源难以分别耦合进包层和纤芯的难题；信号光源获得方式、泵浦耦合方式、脉冲压缩方式以及全软玻璃光纤的使用保证了放大器的全光纤结构，在紧凑的全光纤放大器中输出稳定的高能量3.5μm飞秒脉冲激光。本发明高效快捷地解决3.5μm飞秒放大器信号光源获得困难、级联泵浦方式复杂、放大器装配复杂等问题，充分地发挥光纤激光器的优势，提高3.5μm飞秒光纤放大器的激光输出。

技术领域

本发明属于中红外光纤激光器领域，尤其涉及基于频移拉曼孤子的级联泵浦3.5微米全光纤飞秒放大器。

背景技术

3.5μm激光处于大气中衰减最小的传输窗口内，可以直接激发、探测C-H和N-O振动键，覆盖了部分军用红外探测器的响应波长，因此具有超短脉冲宽度和超高峰值功率的3.5μm飞秒激光在环境传感、国防军事以及生物医疗等诸多领域具有特点鲜明的应用需求。特别是在聚合物加工、红外导弹致盲以及作为中远红外调谐激光产生的泵浦光源等应用中，对3.5μm飞秒激光的脉冲能量和结构紧凑性提出了更高的要求。铒离子掺杂的各类中红外软玻璃光纤(碲酸盐光纤、氟化物光纤和硫系光纤)在近几年得到了集中、迅猛地发展，基于掺铒中红外光纤放大器成为一种显著提高激光峰值功率和脉冲能量的技术手段。

在3.5μm波段，中红外软玻璃光纤具有较宽的红外传输窗口和低声子能量，为中红外光纤激光器提供了良好的光纤材料。由于这类光纤发展迅速，研发时间较短，基于该类光纤的激光器件的研发比较滞后。目前3.5μm波段飞秒光纤激光器由铒掺杂的中红外增益光纤及固体光学元件组合搭建锁模激光器而实现，用于级联激励的双波长泵浦光源多采用透镜和二向色镜搭配耦合进入激光器内。另外，通过非线性频移技术(孤子自频移效应)也是获得3.5μm飞秒激光的主流手段。然而，目前对3.5μm飞秒激光光纤放大器的研究非常少。

现有实现3.5μm波段飞秒光纤激光器技术之一的方案，如图1所示的实验结构图，激光器由组合泵浦光源、掺铒氟化物光纤、ZnSe非球面透镜、45°二向色镜、自由空间法拉第旋转器、高功率偏振器、四分之一波片和半波片组成，977nm和1973nm的组合泵浦光源通过第一45°二向色镜和第一ZnSe非球面镜注入掺铒氟化物光纤，掺铒氟化物光纤的另一端输出光经过第二ZnSe非球面镜准直后入射到第二45°二向色镜上，第二45°二向色镜上的反射光入射到第三45°二向色镜上，透射光实现锁模激光的输出。第三45°二向色镜反射后的激光入射到第一45°二向色镜上形成环形振荡腔，第三45°二向色镜和第一45°二向色镜之间插入一个自由空间法拉第旋转器和两个基于布鲁斯特角窗的高功率偏振器形成一个光隔离器，保证激光的单向传输。在光隔离器两侧添加两个四分之一波片和一个半波片，实现NPR模式锁定。获得216mW、580fs的脉冲激光输出，在68MHz重复频率下，脉冲能量为3.2nJ，峰值功率5.5kW。

该现有技术的缺点包括：

1、该系统中使用了大量的空间光学器件用于激光腔的搭建，失去了光纤激光器结构优势，体积庞大复杂，影响了系统稳定；为了实现模式锁定，腔内所有组件必须具有足够宽的带宽，对光学器件的材制和镀膜技术提出非常高的要求；大量光学器件增加了激光腔内损耗，影响系统效率；

2、该系统获得的3.5μm飞秒激光输出功率较低，平均功率和峰值功率分别在百毫瓦及千瓦量级，脉冲宽度在亚皮秒量级，限制了部分领域的应用；

3、3.5μm激光器所需的977nm和1976nm泵浦光源需要准直聚焦后分别耦合进增益光纤的包层和纤芯中，对透镜的参数提出了很高的要求，增加了操作的难度；

4、该系统为开放的激光谐振腔，受水分子等吸收影响，为了提高系统长期稳定运转和效率，需要提供技术维护，为激光器保持低温的、干燥的惰性环境，增加系统复杂度、操作的难度，提高成本。